Rapport de stage présenté le 24 septembre 2014 dans le cadre du

MASTER 2 DYNAMIQUE DES ECOSYSTEMES AQUATIQUES http://master-dynea.univ-pau.fr/ UFR Sciences & Techniques Côte Basque Allée du Parc Montaury F-64600 Anglet

Contraintes et contributions du monitoring haute-

fréquence dans le suivi d’écosystèmes

L’exemple du bassin versant d’Anterne (Haute-Savoie)

Rosalie BRUEL

Stage effectué du 1er mars au 31 août 2014 sous la direction scientifique de Carole BIRCK (Asters), Fabien ARNAUD et Emmanuel MALET

(laboratoire EDYTEM – Environnements Dynamiques et Territoires de la Montagne)

Asters - Conservatoire des Espaces

Naturels de Haute-Savoie 84 route du Viéran, PAE de Pré-Mairy

74370 Pringy

Université de Savoie

Laboratoire EDYTEM - UMR5204 Bâtiment « Pôle Montagne »

73376 Le Bourget du Lac cedex

http://master-dynea.univ-pau.fr/

1. Chaîne des Fiz surplombant le lac d'Anterne (15 juillet 2014) ©R. Bruel 2. Lac d'Anterne (2 octobre 2010) © Caméra Sud Anterne 3. Principal cours d'eau alimentant le lac d'Anterne (15 juillet 2014) © R. Bruel 4. Station météo (15 juillet 2014) © Raul Serban 5. Lac d'Anterne (2 décembre 2010) © Caméra Sud Anterne 6. Lac d'Anterne (28 juin 2008) © Caméra Sud Anterne 7. Boitier de la station Hydro – principal cours d'eau alimentant le lac d'Anterne (15 juillet 2014) © R. Bruel 8. Lac d'Anterne (24 août 2008) © Caméra Sud Anterne

P a g e | i

Glossaire Dimictique : Se dit d'un lac où l'eau présente une stratification thermique normale en été (température

plus élevée en surface), inverse en hiver (prise en glace superficielle), avec des périodes intermédiaires

homothermes.

Données : Il s’agit de l’enregistrement de « faits donnés », sous une forme numérique, descriptive ou

visuelle, et sur lequel un argument, une théorie, une hypothèse ou tout autre produit de la recherche

est basé. Ces données peuvent être brutes ou primaires, nettoyées ou traitées, et peuvent être

enregistrées sous tout format et tout support. On distingue ensuite différentes classes de données

(Thessen & Patterson 2011; Gaillard 2014) : les données d’observation, comme celles collectées lors du

suivi d’Anterne, qui sont collectées à l’instant T, les données expérimentales, obtenues à partir

d’équipement en laboratoire suivant une méthodologie bien définie (ex : cinétique chimique), qui sont

donc potentiellement reproductibles, et enfin les données computationnelles ou de simulation, issues

de simulations à partir de modèles informatiques (ex : modèles météorologiques). Les données du lac

d’Anterne ne sont pas reproductibles : elles sont indissociables d’un contexte donné, donc uniques.

Comme toute donnée d’observation, elles ont pour vocation d’être conservées de façon pérenne, et

nécessitent un apparat descriptif conséquent (conditions, méthodologie, équipement, etc.).

Haute-fréquence : Désigne dans le cas du monitoring le faible intervalle de temps entre deux mesures.

Dans le cadre du monitoring de lacs, cet intervalle varie entre les minutes et les heures et dépend

principalement des capacités de mémoire des appareils de suivi. Un pas de temps approprié pour ce

type de suivi doit être inférieur à la vitesse du phénomène recherché. Le suivi haute-fréquence

s’oppose au suivi ponctuel par le nombre important de données ainsi produit.

Métadonnées : Une métadonnée est une information descriptive stockée le plus souvent dans une base

de données servant à définir, décrire ou qualifier une donnée quel que soit son support (papier ou

électronique). Un exemple type est d'associer à une donnée la date à laquelle elle a été produite ou

enregistrée, ou à une photo les coordonnées GPS du lieu où elle a été prise.

Monitoring : Terme anglo-saxon pour « contrôle », utilisé dans le cadre de suivi d’écosystèmes.

Open data : Terme strictement équivalent à celui « d’ouverture des données publiques », bien que

l’amalgame soit souvent fait avec les concepts d’Open access, d’Open source, et d’Open content.

L’Open data propose des données brutes et/ou chiffrées comme des statistiques, des données de

fréquentation, de budget etc. (Cartier 2013).

QA/QC : Combinaison de l’Assurance de Qualité (QA), le procédé ou l’ensemble de procédés utilisés pour

mesurer et assurer la qualité d’un produit/d’une donnée lors de sa production, et Contrôle de Qualité

(QC), le processus qui vérifie la qualité du produit/de la donnée en fonction des attentes du

consommateur ou de l’utilisateur. L’Assurance de Qualité est orientée vers le procédé et concerne la

prévention d’un défaut, tandis que le Contrôle de Qualité est orienté vers le produit brut du procédé et

concerne l’identification des défauts.

Régime thermique d’un lac : Un lac est qualifié de mono, di- ou polymictique selon le nombre de

brassages annuels des eaux. Les lacs monomictiques sont ceux qui ne basculent qu'une fois par an. Les

lacs dimictiques basculent deux fois par an. Les lacs polymictiques connaissent une stratification

thermique estivale instable et facilement détruite par le vent (lac du Morillon, Haute Savoie).

Stratification thermique : La stratification thermique d’un lac se définit comme étant la formation de

couches d’eau distinctes superposées les unes sur les autres. La formation de ces couches est due à

une différence de température entre les couches, ce qui entraine une différence de densité de l’eau.

P a g e | ii

Liste des abréviations CARRTEL : Centre Alpin de Recherche sur les Réseaux Trophiques et Écosystèmes Limniques

CEN : Conservatoire d’Espaces Naturels

EDYTEM (laboratoire) : Environnement, Dynamiques et Territoires de la Montagne

GLEON : Global Lake Ecological Observatory Network

INRA : Institut National de la Recherche Agronomique

NETLAKE : Networking Lake Observatories in Europe

OLA : Observatoire des Lacs d’Altitudes (réseau Lacs Sentinelles) ET Observatoire des LAcs alpins (base de

données SOERE)

QA/QC : Contrôle et Assurance Qualité (littéralement Quality Assurance / Quality Control)

T : Température de l’eau. Il s’agit du seul paramètre mesuré abrégé dans le corps du rapport.

Table des figures Figure 1. Schéma des collaborations aux différentes échelles géographiques, logo des partenaires et

description des missions accomplies. ......................................................................................................vi

Figure 2. Missions d'Asters en tant que Conservatoire d'Espaces Naturels. Différents outils permettent de

répondre à la demande de connaissance, dont le monitoring Haute-Fréquence. Ce type de suivi entraîne

plusieurs problématiques (cadre rouge). ................................................................................................ 2

Figure 3. Vue d’ensemble des facteurs influant la réponse physique des lacs aux forçages climatiques. Le

climat suit une cohérence spatiale et temporelle, tandis que ses manifestations à l’échelle locale varient. La

réponse du lac aux forçages climatiques dépend également des modulations locales, qu’elles soient de

facteurs externes ou internes au lac. Modifié d’après Livingston et al. (2010). ..................................... 6

Figure 4. Lac d'Anterne (2063 m) le 4 novembre 2010. Photo prise par le dispositif d’appareil photo au sud.

© EDYTEM ............................................................................................................................................... 7

Figure 5. Localisation du Lac d'Anterne. En rouge sur la carte, la région Rhône-Alpes. Google Imagerie © 2014

................................................................................................................................................................. 7

Figure 6. Schématisation de la position des différents dispositifs de mesure du lac d'Anterne. ........... 8

Figure 7. Démarche et objectif du travail. ............................................................................................... 9

Figure 8. Boxplots de la distribution des données de précipitation et de vitesse du vent enregistrés à la

station météo. Les précipitations ne dépassent pas 4 mm 95 % du temps, et la vitesse du vent moyenne par

jour est 95 % du temps inférieure à 5,7 m/s. Identification du multiplicateur adéquat pour identifier les

évènements rares sur les deux signaux climatiques. Arbitrairement, je choisis de rechercher 7 évènements

extrêmes pour les mois de juillet et août : coefficient multiplicateur de 32 pour les précipitations et de 27

pour le vent. .......................................................................................................................................... 11

Figure 9. Evolution des paramètres météorologiques (température de l’air, précipitations, vitesse du vent,

radiations solaires), des paramètres permettant la caractérisation de la réponse du bassin versant (niveau

d’eau de l’affluent principal, température et humidité du sol versant nord), et de la température du lac aux

différentes profondeurs de capteur (le plus clair est le capteur le plus à la surface, le plus foncé est celui situé

à 12 mètres au fond du lac). Confrontation avec l’évolution des conditions physico-chimiques (chlorophylle,

oxygène et turbidité). Une moyenne journalière a été effectuée pour tous les paramètres sauf pour les

précipitations qui ont été sommées. Identification des évènements extrêmes qui sont étudiés par la suite.

Données du monitoring du bassin versant d’Anterne entre le 1er janvier 2008 et le 15 juillet 2014. .. 13

P a g e | iii

Figure 10. Confrontation des dates des processus saisonniers par années entre avril et décembre ; le lac est

gelé entre janvier et mars. .................................................................................................................... 14

Figure 11. Evolution des températures de la colonne d’eau et de la turbidité entre le 14 et le 21 juillet 2009.

Un évènement extrême de précipitations a été détecté le 17 et une journée très venteuse a été identifiée le

20 juillet. Photos prisent par le dispositif appareil photo sud du 16 au 20 juillet 2009 (de haut en bas).15

Figure 12. Evolution de différents paramètres permettant de caractériser la réponse du lac aux évènements

extrêmes détectés entre le 13 août et le 1er octobre 2013. Quatre évènements de précipitations (lignes

bleues) et un évènement venteux (ligne grise) ont été identifiés comme étant inhabituels. .............. 16

Figure 13. Cycles moyens annuels obtenus à partir des données enregistrées entre le 01/01/2008 et le

15/07/2014, monitoring d’Anterne. (1) Paramètres météos : température de l’air, radiations solaires et

vitesse du vent. (2) Photos du bassin versant d’Anterne à différentes saisons. Toutes ont été prises par

l’appareil photo Sud sauf la première (dispositif Nord) : le dispositif Sud est régulièrement recouvert par la

neige ou entraîné par des avalanches l’hiver. (3) Evolution de la température et de l’humidité du sol sur le

versant nord, sur deux surfaces : minérale et végétale. (4) Schéma résumant les processus de brassages d’un

lac dimictique tel que le lac d’Anterne. (5) Evolution moyenne des températures de la colonne d’eau. Les

périodes de reprise hydrologique et de brassages sont identifiés. Le brassage printanier dure au maximum

quelques jours tandis que le brassage automnal prend plusieurs semaines. ....................................... 17

Figure 14. Cycle moyen de l’oxygène confronté aux températures de la colonne d’eau (stratification).

Monitoring d’Anterne. La moyenne a été faite sur uniquement deux ans entre le 15/10/2009 et le

15/10/2011 puisqu’il s’agit des deux seules années disposant de données complètes. La période de brassage

printanier semble ici longue mais il s’agit uniquement d’un artéfact et témoigne de deux années où le

brassage printanier a eu lieu à un mois d’intervalle. Le fond du lac a été anoxique en moyenne entre début

février et mi-mai (brassage en 2011 le 20 mai). .................................................................................... 18

Table des tableaux Tableau 1. Règles à respecter pour mettre en place un monitoring efficace, confrontation avec le cas du

monitoring d’Anterne. ............................................................................................................................. 3

Tableau 2. Principales caractéristiques du lac d'Anterne. ....................................................................... 7

Tableau 3. Protocole d’identification et d’analyse des évènements rares. .......................................... 10

Tableau 4. Dates des évènements détectés pour les mois où la stratification estivale est en place. (P) indique

que la quantité de pluie a été exceptionnelle, (V) indique que la vitesse moyenne du vent a été supérieure ce

jour. En gras les évènements décris par la suite. .................................................................................. 14

P a g e | iv

Remerciements Je tiens à remercier dans un premier temps mes maîtres de stage, Fabien Arnaud, Directeur de recherches

CNRS et Directeur-adjoint du laboratoire EDYTEM et Emmanuel Malet AI CNRS du laboratoire EDYTEM,

ainsi que Carole Birck, Mission Expertise scientifique et technique d’Asters. Merci de m’avoir accueillie en

stage et de m’avoir fait confiance pour travailler sur cette problématique. Merci également de m’avoir

permis de participer à différents projets ou formations, et merci pour vos relectures. Merci Manu pour

tout le temps passé avec moi pour documenter les données et les différents appareils de mesure du

bassin versant.

Merci également à Cécile Pignol de la plateforme Géomatériaux du laboratoire EDYTEM pour son aide et

ses conseils concernant la nécessité de standardiser et de documenter les données dans le cadre du

mouvement de l’Open Data.

Je souhaite également remercier Marie-Elodie Perga, Chargée de Recherche INRA à l’UMR CARRTEL de

Thonon-les-Bains. Merci de m’avoir présenté les récents logiciels Data Standardizer et B3 qui m’ont

permis de répondre aux objectifs de mon stage, ainsi que de m’avoir aidé pour tout ce qui concerne

l’analyse de données. Merci à sa stagiaire Laura Rodriguez d’avoir partagé avec moi les galères de ces

logiciels pas totalement aboutis :)…

Merci également à Charline Giguet-Covex, Jérôme Poulenard, Professeur des Universités et Chercheur à

l’EDYTEM, et Pierre Sabatier, Maître de Conférences et Chercheur à l’EDYTEM, pour leurs conseils sur

différents aspects de mon travail ou tout simplement pour le temps qu’ils m’ont accordé pour répondre à

mes différentes questions. Dans la même continuité merci à Dirk Enters, aujourd’hui Postdoc à

l’Université de Brême (Allemagne) d’avoir replongé dans ses données pour trouver celles manquantes.

Merci à Laurent Fouinat, Doctorant EDYTEM pour ses conseils lors de l’analyse des données et sa

relecture de mon rapport. Merci à Raul Serban, Doctorant à la West University of Timisoara (Roumanie)

en Erasmus au laboratoire EDYTEM pour son aide sur QGIS et pour nous avoir fourni une bathymétrie à

jour du lac d’Anterne. Merci également aux doctorants EDYTEM, notamment à Géraldine et Lise pour leur

aide lors de la préparation de l’oral de l’école doctorale :).

Enfin, je souhaiterai remercier Vincent Blanc, Technicien CNRS en Informatique, de m’avoir accordé du

temps concernant les problèmes informatiques qu’ont pu me causer les logiciels que j’utilisais. Merci à

Eleanor Jennings de l’Université de Dundalk (Irlande) qui préside l’action NETLAKE de m’avoir permis de

participer à la formation axée sur le monitoring haute-fréquence à Erken (Suède). De la même façon merci

à Bernard Montuelle Directeur d’Unité de l’UMR CARRTEL et au comité scientifique de la Summer School

2014 d’avoir autorisé ma participation à ces 10 jours axés sur l’étude des lacs. Ces deux formations ont été

riches en informations et en rencontres.

Et j’espère n’oublier personne !

P a g e | v

TABLE DES MATIERES

GLOSSAIRE ............................................................................................................................................................................ I

LISTE DES ABREVIATIONS .......................................................................................................................................................... II

TABLE DES FIGURES ................................................................................................................................................................. II

TABLE DES TABLEAUX ............................................................................................................................................................. III

REMERCIEMENTS ................................................................................................................................................................... IV

INTRODUCTION ................................................................................................................................................ 1

1. CADRE DE L’ETUDE .................................................................................................................. 2

1.1. MONITORING D’ANTERNE : STRUCTURES IMPLIQUEES ET CONTEXTE DE LA MISE EN PLACE ....................................................... 2

1.2. CONTRAINTES D’UN PROGRAMME DE MONITORING EFFICIENT ........................................................................................... 3

1.3. DEVENIR DES DONNEES DE RECHERCHE : MOUVEMENT DE L’OPEN DATA ............................................................................. 4

1.3.1. Cas des données associées à des publications ............................................................................................ 4

1.3.2. Cas des données brutes .............................................................................................................................. 5

1.4. DYNAMIQUES LACUSTRES AU TRAVERS DU SUIVI HAUTE-FREQUENCE ................................................................................... 5

1.4.1. Rythmes saisonniers ................................................................................................................................... 5

1.4.2. Réponse des lacs à la météo dans le contexte de recherche sur le climat .................................................. 6

1.4.3. Réponses du lac d’Anterne aux évènements météorologiques extrêmes ................................................... 6

2. MATERIELS ET METHODES ....................................................................................................... 7

2.1. SITE D’ETUDE ........................................................................................................................................................... 7

2.2. DISPOSITIF DE SUIVI .................................................................................................................................................. 8

2.3. DEMARCHE D’ORGANISATION ET DE TRAITEMENT DES DONNEES ........................................................................................ 8

2.3.1. Dynamiques saisonnières ........................................................................................................................... 9

2.3.2. Evènement extrêmes .................................................................................................................................. 9

3. RESULTATS ............................................................................................................................ 11

3.1. MISE EN FORME DES DONNEES .................................................................................................................................. 11

3.2. ANALYSES ............................................................................................................................................................. 11

3.2.1. Dynamiques saisonnières ......................................................................................................................... 11

3.2.2. Evènements rares ..................................................................................................................................... 14

4. DISCUSSION ........................................................................................................................... 16

4.1. DYNAMIQUES SAISONNIERES LACUSTRES ..................................................................................................................... 16

4.2. EVENEMENTS EXTREMES .......................................................................................................................................... 19

4.3. CRITIQUE DU PROGRAMME DE MONITORING EN PLACE ................................................................................................... 21

4.4. PERTINENCE DU PROGRAMME DE MONITORING ............................................................................................................ 21

4.5. LES LACS : INTEGRATEURS DU CLIMAT ......................................................................................................................... 22

4.6. OUVERTURE DES DONNEES ....................................................................................................................................... 22

CONCLUSIONS .............................................................................................................................................. 23

RÉFÉRENCES .............................................................................................................................................. 24

ANNEXES ................................................................................................................................................. I

P a g e | vi

Préambule

La mission initiale de ce stage de 6 mois concernant la mise à jour de la base de données du suivi du Lac

d’Anterne a entrainé des collaborations à différentes échelles. La première partie de gestion de données

haute-fréquence m’a conduite à travailler avec une stagiaire (Laura Rodriguez) et sa tutrice (Marie-Elodie

Perga) du laboratoire Centre Alpin de Recherche sur les Réseaux Trophiques et Ecosystèmes Limniques

(CARRTEL) de Thonon-les-Bains (74). A l’échelle française, ma tutelle par le Conservatoire d’Espaces

Naturels Asters m’a permis de m’intégrer au réseau Lacs Sentinelles en participant à la journée de

formation sur le matériel de suivi des lacs d’altitude. J’ai également travaillé sur une valorisation des

données acquises au cours du programme de suivi de lacs d’altitude instauré en 1998, par le biais de

posters de communication résumant notamment l’historique de l’initiative et le protocole en place. Le lac

d’Anterne a été inclus aux sites du réseau européen NETLAKE en juin 2014 ; j’ai réalisé le poster de

présentation du site (NETLAKE, 2014). J’ai par ailleurs participé sur invitation à la première formation

NETLAKE sur le suivi haute-fréquence des lacs, où 19 nationalités étaient représentées. Je me suis

proposée à l’issue de la formation pour tester une base de métadonnées en développement, résultat du

groupe de travail 1 de l’action NETLAKE, portant sur l’acquisition des données et leur gestion. J’ai

commencé à utiliser les programmes Data Standardizer et B3 développés dans le cadre du réseau

international GLEON début avril 2014, et présenté l’utilisation que j’ai pu en faire lors de la formation

européenne NETLAKE. J’ai également eu l’opportunité de participer à l’école internationale de limnologie

qui s’est tenue à Evian du 23 août au 3 septembre 2014.

Figure 1. Schéma des collaborations aux différentes échelles géographiques, logo des partenaires et description des missions accomplies.

Le présent rapport de stage ne traite que de la partie concernant les données de monitoring du lac

d’Anterne. L’implication et les actions menées dans le cadre des réseaux Lacs Sentinelles, NETLAKE, et à

l’échelle internationale sont détaillées en Annexe 1.

P a g e | vii

P a g e | 1

Contraintes et contributions du monitoring haute-fréquence dans le suivi d’écosystèmes

L’exemple du bassin versant d’Anterne (Haute -Savoie)

Introduction Le suivi haute fréquence (monitoring) d’écosystèmes représente une partie cruciale des sciences

environnementales. Il permet le suivi des ressources et l’ajustement des politiques de gestion, tout en

constituant une base de données précieuse pour les questions des scientifiques de demain (Lynch,

Bowersox & Grimm 2000; Lovett et al. 2007). Le monitoring est utilisé pour suivre tout type d’écosystèmes

(Lovett et al. 2007; Environmental Protection Agency 2009), dont les lacs (Jennings et al. 2012). Bien que

la précision de mesure des paramètres ne soit pas aussi bonne que dans le cadre de suivi ponctuel avec

analyses en laboratoire, il s’agit d’une démarche très pertinente pour comprendre les processus

saisonniers et les changements brutaux de paramètres environnementaux (Snell et al. 2014). Dans un

objectif de recherche plus global sur les impacts du climat sur les écosystèmes, le suivi des masses d’eau

de surface est pertinent. En effet, la cohérence spatiale des réponses physiques des lacs aux paramètres

météorologiques font que les masses d’eau de surface constituent des échantillons représentatifs d’un

continuum climatique (Livingstone et al. 2010).

Le monitoring haute-fréquence est toutefois une méthode d’évaluation soumise à plusieurs contraintes.

Le programme doit s’articuler autour d’une question claire, les données générées doivent subir un

contrôle qualité, et les stations de mesure doivent être régulièrement entretenues (Lovett et al. 2007). Les

gestionnaires se retrouvent confrontés aux problématiques budgétaires, tout en ayant la nécessité de

connaissance des écosystèmes et le devoir de choisir la méthode la plus appropriée.

Parmi les écosystèmes à préserver pour leur forte valeur socio-économique et patrimoniale se trouvent

les lacs. Ils fournissent des services tels que la production d’eau potable, l’accueil de loisirs récréatifs, et

constituent un support de biodiversité pour les espèces aquatiques mais aussi terrestres (Postel &

Carpenter 1997). Ils participent également à la séquestration des polluants : les sédiments et débris

érodés des bassins versants sont transportés par les cours d’eau jusqu’aux lacs où le temps de résidence

important leur permet de se déposer, ce qui entraîne une diminution de la pollution dans les cours d’eau

exutoires en aval (Michaud 1991). La préservation de l’équilibre écologique des lacs est un facteur

essentiel à la pérennité des différents services cités.

La présence du lac d’Anterne (74, France) confère un fort attrait touristique à la Réserve Naturelle de Sixt-

Passy et une responsabilité de préservation au gestionnaire de ce site, Asters (Conservatoire d’Espaces

Naturels de Haute-Savoie). Du fait de son altitude (2063 m), la masse d’eau n’est pas utilisée à des fins de

production d’eau potable et les pressions locales sont relativement faibles (Giguet-Covex et al. 2011b).

Toutefois, l’évolution des lacs et des écosystèmes d’altitude en général est très méconnue, et le suivi des

lacs sur une période de temps importante permettrait aux scientifiques de caractériser leur réponse aux

pressions humaines, et aux gestionnaires d’adapter leurs politiques en fonction des besoins. Des stations

de monitoring ont été installées en 2007 par des scientifiques du laboratoire EDYTEM (Environnement,

Dynamiques, Territoires de la Montagne) afin de caractériser le transfert de sédiments sur le bassin

versant d’Anterne (Enters et al. 2009). Les chercheurs et le gestionnaire, Asters, s’interrogent

actuellement sur la nécessité de continuer ou non ce suivi. La problématique qui motive mon stage

concerne ainsi la définition d’une méthode permettant de valider les données issues du monitoring, ainsi

que la mise à jour de la base de données d’Anterne, sa documentation, et l’analyse des informations

qu’un tel suivi permet d’obtenir.

P a g e | 2

1. Cadre de l’étude Les Conservatoires d’Espaces Naturels ont plusieurs missions, dont la connaissance des espaces naturels

gérés et des espèces présentes. Pour remplir cet objectif, les suivis ponctuels de paramètres clés et les

inventaires d’espèces sont mis en œuvre par la mission scientifique (Figure 2). L’utilisation du monitoring

haute-fréquence n’a été rendue possible que plus récemment grâce notamment aux progrès scientifiques

et techniques. Il s’agit d’une méthode pertinente dans le cas d’écosystèmes peu accessibles, qui permet

d’évaluer les changements d’habitat (Bredemeier et al. 2007). Le monitoring haute-fréquence pose

cependant un certain nombre de problèmes tels que l’investissement initial, l’entretien des capteurs et la

gestion des données. Cela nécessite une collaboration avec les équipes de recherches spécialisées.

Figure 2. Missions d'Asters en tant que Conservatoire d'Espaces Naturels. Différents outils permettent de répondre à la demande de connaissance, dont le monitoring Haute-Fréquence. Ce type de suivi entraîne plusieurs problématiques (cadre rouge).

Cette partie propose une présentation des structures d’accueil intervenant dans le monitoring du lac

d’Anterne et le contexte de l’étude qui a mené à sa mise en place en 2007. Trois aspects ont été abordés

au cours de ce stage. Le premier, correspondant à la demande principale du gestionnaire, concernait la

mise à jour, la documentation et l’évaluation de la qualité des données obtenues depuis 2007. Des

recherches sur les possibilités de publication et de partage des données ont également été effectuées,

afin de permettre à la seconde structure d’accueil, le laboratoire EDYTEM, de valoriser le temps et l’argent

investis dans ce programme de suivi. Enfin, une première analyse des données permettant la

caractérisation des processus lacustres a été effectuée.

1.1. Monitoring d’Anterne : structures impliquées et contexte de la mise en place

Le Conservatoire d’Espaces Naturels (CEN) Asters intervient depuis 1982 pour la préservation et la mise en

valeur du patrimoine naturel de Haute-Savoie. En tant que CEN, Asters a une mission d'intérêt général sur

la connaissance1, la protection, l'acquisition et la gestion des espaces naturels et des espèces ainsi que sur

l'information et la sensibilisation du public. L’association gère 41 sites dont les 9 réserves naturelles

nationales de Haute-Savoie ; le lac d’Anterne se trouve au sein de la réserve naturelle de Sixt-Passy.

Le laboratoire EDYTEM (Environnement, Dynamiques, Territoires de la Montagne) a été créé en 2003 pour

répondre au besoin d’établir une communauté de recherche interdisciplinaire sur les problématiques liées

aux milieux de montagne. L’unité basée au campus de l’Université de Savoie au Bourget-du-Lac (73)

regroupe des chercheurs et enseignants-chercheurs de différents champs disciplinaires (géosciences,

sciences de l’environnement et sciences humaines). L’équipement et le suivi des stations d’Anterne ont

été le fruit d’une collaboration entre Asters et le laboratoire EDYTEM.

Le bassin versant du lac d’Anterne a été instrumenté par des dispositifs de suivi haute-fréquence dans le

cadre du travail de Dirk Enters au cours de son contrat post-doctoral au laboratoire EDYTEM (Enters et al.

1 Asters coordonne notamment le réseau « Lacs Sentinelles », voir Annexe 1 A).

P a g e | 3

2009). Le projet LOST visait à caractériser le flux de sédiments du bassin versant. L’équipement déployé

sur ce dernier et sur le lac depuis 2007 (des essais de suivi de température du lac avaient été menés l’été

2006) donne une image très complète des processus climatologiques et biologiques. L’originalité de ce

programme tient donc à la fois des différentes instrumentations du site et de sa localisation en altitude –

la plupart des sites instrumentés se trouvant à ce jour en plaine (Blenckner et al. 2007; Jennings et al.

2012).

1.2. Contraintes d’un programme de monitoring efficient Il n’est pas aisé de mettre en place un monitoring efficace dont la fiabilité des données permette leur

valorisation. Plusieurs aspects doivent être envisagés par tout organisme souhaitant instaurer un suivi

(Tableau 1 selon Lovett et al. 2007)

Tableau 1. Règles à respecter pour mettre en place un monitoring efficace, confrontation avec le cas du monitoring d’Anterne.

Contraintes selon Lovett et al. 2007 Cas du monitoring d’Anterne

1 Définition de questions scientifiques claires.

Contrat post-doctoral de Dirck Enters : caractérisation des flux de sédiments dans le bassin versant d’Anterne (Enters et al. 2009).

2 Prise en compte des nouvelles questions, des conseils d’experts et des nouvelles technologies. Toute modification de protocole doit se faire en gardant une continuité dans les mesures.

Suivi des stations de mesures d’Anterne par Emmanuel Malet du laboratoire EDYTEM en partenariat avec les gardes d’Asters : entretien, remplacement éventuel de capteurs.

Echanges avec le Centre Alpin de Recherche sur les Réseaux Trophiques et Ecosystèmes Limniques (CARRTEL) qui effectue également des suivis de lacs d’altitude.

3 Choix des paramètres : tenir compte de l’évolution des problématiques dans le futur. Intégration si possible des intérêts humains. Réduction des coûts au maximum : assurer la durabilité du programme sur le long terme.

De nombreux paramètres ont trait aux dynamiques du bassin versant (contexte original de l’étude).

Adapté par le laboratoire du matériel pour correspondre aux exigences des milieux d’altitude (résistance aux conditions extrêmes) et pour réduire les coûts engagés.

4 Qualité et homogénéité des données de sorties. La confiance des futurs utilisateurs d’un jeu de données dépend entièrement du programme de contrôle des données. Le protocole doit être rigoureux, bien documenté, et être modifié avec précaution en mettant en place des périodes de chevauchement des méthodes pour établir une comparaison. Les données doivent être vérifiées avant d’être archivées (Anttila et al. 2012).

Justification de mon stage à partir de cette étape.

Programme sur lequel de nombreuses personnes ont travaillé. Aucune documentation générale sur les stations et les

paramètres mesurés : la rédiger a été l’un des objectifs de mon travail (Annexe 10).

Dérives électronique des capteurs haute-fréquence : problème classique mais peu pris en compte en général. Il faudrait en théorie calibrer tous les capteurs régulièrement : le lac d’Anterne est peu accessible et rend impraticable cet aspect. Solution : prendre en compte cet aspect lors de l’analyse des données (sens critique), contrôle qualitatif des données avant utilisation (Anttila et al. 2012).

5 Accessibilité et archivage des données. Ces deux paramètres doivent être planifiés, et pour cela les métadonnées doivent réunir toute information importante concernant la calibration, la suppression de données, etc. Les données brutes et les métadonnées doivent être enregistrées sur plusieurs postes. Par ailleurs, dans le cadre du mouvement de l’Open Data, les données collectées sur fond public devraient pouvoir être mises à disposition.

Aucun « Data Management Plan » n’a été mis en place au début du monitoring. Les fichiers de données bruts étaient donc disponibles sur le serveur interne du laboratoire EDYTEM, mais n’étaient exploitables que par des personnes ayant déjà travaillé sur les données.

Data Standardizer a été conçu dans le cadre du GLEON (Global Lake Ecological Observatory Network) et permet de standardiser les fichiers bruts. Les noms des paramètres sont standardisés pour faciliter le partage.

6 Utilisation des données : meilleur moyen d’identification d’erreurs et de mise en évidence de tendances.

Les stations n’ont pas été désinstallées à l’issue du contrat de Dirk Enters avec l’objectif d’acquérir plus de données et améliorer encore les connaissances du bassin versant. Mais la

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Des fonds devraient systématiquement être investis pour l’évaluation et la gestion des données, leur interprétation et leur publication = critères essentiels au succès des programmes de monitoring.

validation et la gestion des données nécessitent beaucoup plus de temps que celui qui pouvait possiblement être accordé en fonction des autres tâches à remplir par les chercheurs et ingénieurs du laboratoire EDYTEM.

Une partie des données a été utilisée dans des travaux couplés à la paléoécologie (Giguet-Covex et al. 2012b).

7 Intégration du monitoring à un programme plus général de recherche incluant éventuellement modélisation, expérimentation, et comparaison inter-sites. Une approche à multiples facettes est le meilleur moyen de s’assurer que les données sont utiles et utilisées.

C’est uniquement en ayant rempli les conditions précédentes que celle-ci peut être prise en compte. Le réseau NETLAKE a été formé en octobre 2012 pour répondre au besoin de partage d’expérience et de données au sein de la communauté scientifique réalisant du monitoring de lacs. Le lac d’Anterne a été inclus aux sites NETLAKE en juin 2014, et sera disponible dans la base de métadonnées sur laquelle travaille un groupe de chercheurs du réseau.

Les programmes de monitoring efficaces doivent (1) répondre à des questions claires, (2) utiliser des

méthodes cohérentes et validées par la communauté scientifique, (3) être accessibles aux gestionnaires

(éventuellement échantillons et données), (4) intégrer des programmes de recherche qui permettent

l’utilisation et donc l’examen des données (contrôle qualité) en continu (Lovett et al. 2007).

1.3. Devenir des données de recherche : mouvement de l’Open Data En 2013, 90 % des données informatiques mondiales2 avaient été collectées les 2 années précédentes

(SINTEF 2013). Ce nombre croissant de données représente à la fois des opportunités de recherche et des

questions de validation, de stockage et d’analyse : ces trois points résument parfaitement les

problématiques qui se posent pour les données stockées depuis 2007 sur un serveur interne au

laboratoire EDYTEM, sans aucune documentation. Le devenir des données de la recherche est en effet

depuis peu au cœur des discussions.

Un éditorial de Nature a mis en avant en 2012 le nombre important d’articles proposant des conclusions

ne pouvant être vérifiées et reproduites faute de données suffisantes ou suffisamment documentées

(Nature 2012). Cela concerne en particulier le domaine de la recherche médicale, cependant, pour tout

champ disciplinaire, la reproductibilité constitue une alliée de l’intégrité scientifique. Le but est donc de

mettre à disposition des autres chercheurs, des industries et des citoyens les données scientifiques

obtenues dans une perspective de progrès scientifique, d’efficience et de transparence (Commission

Européenne 2013). Le mouvement de l’Open data est né en 20053 de la nécessité de faire profiter

l’ensemble des acteurs économiques du potentiel commercial et industriel des données collectées sur

fonds publics (Cartier 2013). En parallèle, la vulgarisation des résultats scientifiques auprès du grand

public est indispensable, notamment en sciences environnementales, où l’enjeu n’est pas uniquement de

communiquer les résultats scientifiques mais également motiver un changement dans certaines

habitudes, comme celles de consommation (Bredemeier et al. 2007).

1.3.1. Cas des données associées à des publications Accompagner les publications scientifiques des jeux de données et codes sources permettant à d’autre

chercheurs de reproduire les résultats est une solution pour amorcer le mouvement de transparence. Le

partage de données est beaucoup plus compliqué en pratique et est loin d’être systématique, bien que le

pourcentage de travaux aux données publiées augmente ces dernières années (Piwowar 2011). En

parallèle et pour observer un réel changement, les journaux doivent adopter des politiques de routine

concernant la publication des données. Ils doivent notamment s’ouvrir à tous les champs disciplinaires,

2 Il s’agit pour la plupart de données générées par la vie de tous les jours (retraits bancaires, déplacements dans des

endroits placés sous vidéo-surveillance, connexions sur internet), mais les progrès technologiques permettent également une meilleure connaissance des écosystèmes grâce à des dispositifs de mesure en continu. 3 C’est Edd Dumbill à la « XTech conference » de Berlin en 2005 qui est à l’origine de ce mouvement concernant les

données gouvernementales. Source : http://de.amiando.com/open-data-dialog.html.

http://de.amiando.com/open-data-dialog.html

P a g e | 5

s’assurer que les politiques de disponibilité des données sont suivies par les chercheurs et que tout

résultat est facilement reproductible (Alsheikh-Ali et al. 2011).

1.3.2. Cas des données brutes Publier les données complètes issues de programmes de suivis présente un intérêt supplémentaire. Des

informations spécifiques à un site ou à un échantillon, intégrées à un réseau plus large, permettent de

tester des hypothèses globales (Lovett et al. 2007) – réponse des écosystèmes à des évènements

météorologiques extrêmes par exemple (Jennings et al. 2012). Il est donc nécessaire de rendre

accessibles, intelligibles et réutilisables toute données acquises dans le cadre d’un programme

scientifique, notamment sur fonds publics (Lovett et al. 2007; Gaillard 2014). Dans le cadre du monitoring

environnemental, ces conditions sont remplies si le programme respecte les contraintes énoncées dans le

point précédent « 1.2 Contraintes d’un programme de monitoring efficient ».

La question suivante concerne la définition du terme donnée : il s’agit de l’enregistrement de faits qui

peuvent prendre plusieurs formes (qualitative, quantitative, visuelle). Les données ne devraient en théorie

pas dépendre de leur contexte de création, d’une analyse ou de leur producteur : elles doivent êtres

brutes au maximum. En réalité, les données du lac d’Anterne sont fortement soumises à leur contexte

puisqu’il s’agit de données d’observation (à opposer aux données expérimentales ou de simulation)

(National Science Board 2005). La méthodologie utilisée doit toutefois veiller à modifier au minimum les

données dans un deuxième temps. Elles acquièrent ou se voient donner un sens particulier dès lors

qu’elles sont délimitées, filtrées et sélectionnées (Thessen & Patterson 2011). Tous ces processus

transforment les données en information sans point clair de transition, et la littérature justifie chaque

point de vue avec arguments à l’appui. D’une part, afin de faciliter l’agrégation de données lors

d’éventuelles nouvelles études, la meilleure solution est de les partager sous leur forme la plus brute

(White et al. 2013). D’autre part, la confiance des utilisateurs dans le jeu de données dépend également

du contrôle de qualité effectué sur les données et de la précision des métadonnées associées (Lovett et al.

2007; Anttila et al. 2012).

Sous l’angle spécifique de « l’ouverture » des données de recherche, on peut définir le jeu de données

comme un enregistrement de données sous la forme d’un ou plusieurs fichiers électroniques,

téléchargeables, citables (notamment par exemple par l’intermédiaire d’un DOI) et intelligibles – ce jeu

étant accompagné des métadonnées descriptives suffisantes (Gaillard 2014).

1.4. Dynamiques lacustres au travers du suivi haute-fréquence Une première analyse des données est finalement proposée dans ce rapport. Les dynamiques saisonnières

et la réponse du bassin versant aux événements météorologiques soudains sont abordées : elles

caractérisent les habitats et influent donc indirectement le biote (Anttila et al. 2012). Ces processus

fonctionnels agissent sous l’influence du climat (Blenckner et al. 2007; Boehrer & Schultze 2008;

Livingstone et al. 2010; Saidi et al. 2013).

1.4.1. Rythmes saisonniers La surface des lacs dans la plupart des latitudes montre un cycle de température prononcé tout au long de

l’année. Cela est principalement dû à la variation des radiations solaires et aux échanges thermiques avec

l’atmosphère (Wetzel 2001; Livingstone et al. 2010). Ceux-ci entraînent des différences de densité et la

formation de strates de températures. La stabilité de la stratification qui est fonction notamment de la

latitude, de l’altitude et de la profondeur (Boehrer & Schultze 2008; Chowdhury, Hasan & Alam 2014)

influe sur le nombre de brassages annuel, qui définit le régime thermique du lac. Le lac d’Anterne suit un

régime dimictique : deux périodes de stratification sont observées, une hivernale et une estivale. Celles-ci

se succèdent suite à des périodes de brassages des eaux (homothermie), qui permettent notamment

l’oxygénation des eaux de fond (Wetzel 2001) (Annexe 2). Il est à noter que le lac d’Anterne peut observer

un régime plurimictique : la stratification a été rompue à plusieurs reprises l’été 2007 (Annexe 3).

P a g e | 6

La dynamique de brassage et de stratification est ici étudiée pour le lac d’Anterne, en se concentrant sur

leur durée, l’identification des signaux de reprise hydrologique, de brassage et de stratification. Ce

phénomène est particulièrement important d’un point de vue écologique puisque la température

influence la répartition, la composition et les comportements des espèces animales et végétales du lac

(Wetzel 2001) : la stratification thermique permet de fournir une grande variété d’habitats (Michaud

1991).

1.4.2. Réponse des lacs à la météo dans le contexte de recherche sur le climat L’étude des lacs est pertinente dans un contexte de recherche sur les réponses des écosystèmes au climat.

En effet, les lacs sont très sensibles aux conditions météorologiques, qui conditionnent une grande partie

de leurs processus : leur étude donne un aperçu des mécanismes et des effets du changement climatique

global (Häder et al. 2003; Catalan et al. 2006; Williamson et al. 2008; Williamson, Saros & Schindler 2009).

Un autre facteur favorisant cette extrapolation est la forte cohérence spatiale dans la réponse des lacs au

climat (Livingstone et al. 2010). Celle-ci est particulièrement forte pour les réponses primaires des lacs à la

météo sur les paramètres physiques (variations du profil de température, du régime de brassage)

(Edinger, Duttweiler & Geyer 1968; Blenckner et al. 2007).

Les réponses indirectes secondaires et tertiaires aux niveaux chimiques (oxygène) et biologiques (productivité primaire) sont moins fortes. En effet, des facteurs à chaque échelle (régionale, locale) brouillent le signal climatique. Trois niveaux peuvent ainsi être distingués Figure 3. A l’échelle globale, bien qu’il s’agisse d’un phénomène complexe (Beniston 2005), le climat est un paramètre spatialement et temporellement cohérent. Les manifestations locales du climat (la météo) telles que l’intensité des radiations solaires par ciel dégagé et la température de l’air présentent également une forte cohérence régionale (Jones, Osborn & Briffa 1997), tandis que la couverture nuageuse, l’humidité relative et la vitesse du vent sont beaucoup plus hétérogènes. Enfin, à l’échelle des lacs, les facteurs externes et internes intrinsèques aux systèmes créent un bruit supplémentaire (Michaud 1991; Livingstone et al. 2010). Il s’agit par exemple de l’altitude du lac (Livingstone, Lotter & Kettle 2005; Beniston 2005), de la configuration de sa berge, du nombre et de la taille des affluents et des décharges d’eau, ou encore de sa profondeur et son régime thermique.

Figure 3. Vue d’ensemble des facteurs influant la réponse physique des lacs aux forçages climatiques. Le climat suit une cohérence spatiale et temporelle, tandis que ses manifestations à l’échelle locale varient. La réponse du lac aux forçages climatiques dépend également des modulations locales, qu’elles soient de facteurs externes ou internes au lac. Modifié d’après Livingston et al. (2010).

1.4.3. Réponses du lac d’Anterne aux évènements météorologiques extrêmes La réponse du lac d’Anterne aux évènements météorologiques épisodiques est étudiée dans un deuxième

temps. Ces évènements correspondent à un changement soudain dans le régime de précipitation, du vent

ou des températures, et ont pour caractéristiques d’être imprévisibles et d’une durée souvent courte

(Jennings et al. 2012). Les réponses biotiques et abiotiques à ce type d’évènement sont souvent

manquées dans les suivis ponctuels, pourtant ces réponses sont pertinentes pour comprendre les impacts

P a g e | 7

du changement climatique. Le monitoring haute-fréquence est l’outil le plus pertinent pour répondre à

cette question.

Cependant des enregistrements sur de longues périodes sont indispensables pour analyser la tendance

des évènements rares (Frei & Schär 1998; Saidi et al. 2013). Le but de cet axe de travail n’est donc pas de

caractériser une tendance, mais d’étudier les réponses spécifiques du lac d’Anterne aux évènements

extrêmes.

2. Matériels et Méthodes

2.1. Site d’étude Le Lac d’Anterne (45°59.455 N ; 6°47.897 E) (Figure 4) est situé à 2063 mètres d’altitude au sein de la

Réserve Naturelle de Sixt-Passy, dans la vallée du Giffre (Haute-Savoie, France) (Figure 5). Il se trouve au

pied de la chaîne des Fiz et des Frêtes de Villy (Huchet 2009). Son bassin versant (278 ha), d’origine

glaciaire, se caractérise notamment par une forte sensibilité aux processus d’érosion en raison de la

présence de sols facilement érodables (terres et schistes) et de l’absence de sols développés sur une large

partie du bassin versant (le plus raide) (Giguet-Covex et al. 2012a). L’alimentation du lac se fait par le biais

de ruisseaux relativement diffus ; une perte d’eau karstique se situe sur la partie ouest du lac. Le site

présente une pression pastorale relativement faible (Huchet 2009), bien que les archives communales

mentionnent que la montagne d’Anterne a été pâturée par des bovins (Giguet-Covex et al. 2011b, 2012b).

Une approche basée sur l’étude de l’ADN contenu dans les archives sédimentaires a par ailleurs permis de

reconstruire l’occupation des sols depuis la fin de l’âge de bronze, mettant en avant des épisodes

anthropiques de déforestation et de pastoralisme par des troupeaux d’ovins et de bovins (Giguet-Covex et

al. 2014). Le lac est gelé entre 6 et 7 mois pendant l’année, et le sud du bassin versant est rarement

totalement déneigé avant juillet (Giguet-Covex et al. 2011a). Les principales caractéristiques du lac

d’Anterne sont présentées dans le Tableau 2.

Figure 4. Lac d'Anterne (2063 m) le 4 novembre 2010. Photo prise par le dispositif d’appareil photo au sud. © EDYTEM

Figure 5. Localisation du Lac d'Anterne. En rouge sur la carte, la région Rhône-Alpes. Google Imagerie © 2014

Tableau 2. Principales caractéristiques du lac d'Anterne.

Superficie Bassin Versant (ha)

Superficie Lac (ha)

Superficie Lac / Bassin Versant (%)

Altitude du lac (m)

Profondeur maximale (m)

Régime Gel du lac (mois/an)

278 11,6 4,2 2063 13,2 Dimictique 6 – 7

N

P a g e | 8

Figure 6. Schématisation de la position des différents dispositifs de mesure du lac d'Anterne.

2.2. Dispositif de suivi Différentes sondes et appareils de mesures sont installés autour et dans le lac afin de recueillir les

données. On compte ainsi deux appareils photos, deux stations « sol » (humidité et température sur les

surfaces minérales et végétales des versants Nord et Sud), une station « hydro » sur la principale arrivée

d’eau (paramètres physico-chimiques), une station météo et un dispositif dans le lac même (Figure 6). Ce

dernier réunit des trappes à sédiment, une sonde multiparamétrique RBR au fond, ainsi que des sondes de

température répartie de la surface au fond du lac. Les premières données (températures de la colonne

d’eau) ont été collectées l’été 2006, mais le suivi en continu est en place depuis l’été 2007 seulement

(Détail des installations inclus à la documentation du monitoring d’Anterne : Annexe 10). Peu d’exemples

concernant le suivi en milieu aussi extrême sont disponibles dans la littérature, et bien que certains

capteurs résistent à des profondeurs 10 fois supérieures aux besoins du lac d’Anterne, la technologie

n’est pas toujours adaptée aux hivers rigoureux de la vallée du Giffre. Ainsi, des dispositifs ont été brisés

par les avalanches, certains câbles ont été découverts puis broutés par les moutons de passage, etc.

Certaines données sont donc manquantes sur la période de suivi à cause de ces problèmes techniques

(voir la disponibilité des données en Annexe 5).

2.3. Démarche d’organisation et de traitement des données Les fichiers bruts de données téléchargés à l’issue d’une mission sont dans un premier temps standardisés

grâce au logiciel Data Standardizer. Cette étape inclus la suppression des éventuelles colonnes de

métadonnées (modèle de la sonde, date de début et de fin du programme, etc.)4 ainsi que la modification

des noms des variables et du format date en faveur d’un thesaurus commun. Cette procédure

recommandée par le réseau international GLEON (Global Lake Ecological Observatory Network) favorise

l’échange des données scientifiques.

Les données sont ensuite incrémentées dans le programme B3 prévu à cet effet. Elles sont contrôlées

grâce aux outils QA/QC de B3 : les données invalides (problème de capteur) sont supprimées, puis les

éventuelles dérives électroniques des capteurs sont identifiées, et les données calibrées (Annexe 3).

A l’issue de cette étape, le jeu de données est sauvegardé. Il peut constituer la base de futurs travaux

et valorisations pour le laboratoire EDYTEM, et éventuellement être partagé. Dans cette optique, j’ai

travaillé sur une documentation des données réunissant des informations sur le cadre de l’étude

initiale, les personnes impliquées, mais aussi des informations techniques concernant le matériel

utilisé et la disponibilité des données (Annexe 10). Par ailleurs, afin d’encourager la future utilisation

4 Les fichiers bruts doivent strictement être conservés afin d’être capable de reproduire la procédure de mise en

forme.

P a g e | 9

des programmes récents Data Standardizer et B3, j’ai traduit et complété les manuels d’utilisateurs

existants (Annexe 11, Annexe 12).

Le jeu de données du monitoring d’Anterne est une série chronologique multivariée. La série est

constituée de n variables (quantitatives) d’observations réalisées à des dates successives. Les observations

sont discrètes, avec une résolution variable (minutes à heures). Le jeu de données est visualisé sous forme

graphique5 afin de détecter les premières tendances saisonnières et les évènements extrêmes. Des

analyses complémentaires sont menées sur R, et le package xts est utilisé (Figure 7). Des paramètres ont

dû être sélectionnés pour l’analyse graphique. Ainsi, parmi les paramètres météorologiques, la

température de l'air, la quantité de précipitations, les radiations solaires et la vitesse du vent sont retenus.

Concernant la réponse du bassin versant, la température et l'humidité du sol du versant exposé nord sont

retenues, de même que les paramètres caractérisant la réponse de l'affluent principal. Il s'agit du niveau

d'eau, de sa température, et de la mesure de la turbidité. Enfin les mesures de températures le long de la

colonne d'eau sont retenues, notamment puisqu'elles donnent une information sur l'état de stratification,

ainsi que les mesures d'oxygène et de turbidité au fond du lac, et celle de chlorophylle à la surface.

Figure 7. Démarche et objectif du travail.

2.3.1. Dynamiques saisonnières La reprise hydrologique sur le bassin versant correspond au moment où l’eau recommence à couler après

la période hivernale de couverture neigeuse. La lecture graphique de certains paramètres (température

de surface du lac, température du sol) permet d’identifier ce phénomène, et des indices peuvent

également être utilisés (Δ T6 t = T t – T t-1. En période de stratification hivernale l’indice navigue autour de 0

car il n’y a pas de variation de température entre t-1 et t. Une plus grande variation permet d’identifier ces

périodes de reprise hydrologique). Les périodes de brassage sont des périodes d’homothermie identifiées

grâce aux thermistors de la colonne d’eau. Le gel du lac est identifié de 2007 à 2010 grâce aux capteurs de

température situés à la surface du lac. Les photos prises par les dispositifs au Nord et au Sud du lac sont

également utilisées pour corroborer le phénomène.

2.3.2. Evènement extrêmes Les événements météorologiques extrêmes sont par définition des événements peu fréquents (Jennings

et al. 2012). Il s’agit d’abord de définir quels paramètres correspondent à un changement soudain des

conditions.

5 Les outils graphiques Microsoft Excel, bien que plus faciles à manipuler, ne permettent pas systématiquement

(fonction de l’année de la licence) la visualisation de ce type de jeu de données car le nombre de lignes et de colonnes est trop important (près de 200 000 lignes dans le tableau final pour 40 paramètres). Tout comme R, il est peu pratique pour supprimer des données invalides, ou éventuellement recalibrer les dérives électroniques des appareils haute-fréquence. B3 a été programmé au sein du GLEON pour répondre à ce besoin des personnes manipulant des données haute-fréquence. 6 « T » fait référence à la température de l’eau

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- Au niveau des conditions météo : quantité de précipitation et vitesse du vent. - Au niveau de la réponse du bassin versant : turbidité mesurée à la station hydro. La concordance

précipitations – pics de turbidité du cours d’eau peut permettre d’identifier la responsabilité des

précipitations dans l’érosion et le transport des sédiments.

- Au niveau de la réponse du lac : turbidité (sonde RBR) et changement de la température de l’eau. Il s’agit de réponses primaires. Des réponses secondaires et tertiaires peuvent être observées dans un

deuxième temps sur la disponibilité en oxygène et la production primaire.

La neige et la glace recouvrent le lac en hiver et le protègent des évènements météorologiques extrêmes.

La période automnale est caractérisée par des tempêtes et des crues, qui favorisent le brassage précédant

la stratification inverse. L’analyse effectuée dans ce rapport se focalise donc sur les orages estivaux durant

la période de stratification car leurs effets sont peu connus.

La méthode utilisée ici a été, dans un premier temps, de passer au crible l’ensemble des données, mois

par mois, en identifiant les changements brutaux de paramètres. Puis à l’aide de R, j’ai tenté de dégager

les événements les plus extrêmes. Lorsque l’on étudie la distribution des évènements (Figure 8) on

observe que le premier quartile, la moyenne et la médiane sont très proches. Il s’agit de dégager les

événements les plus extrêmes (derniers percentiles), selon la formule de calcul de l’intervalle de confiance

ci-dessous. Les étapes de travail sont résumées dans le Tableau 3.

√ ⁄ Avec x = la valeur à déterminer pour affiner le nombre de résultats N = la taille de l’échantillon

Tableau 3. Protocole d’identification et d’analyse des évènements rares.

Etapes de travail Justification

1 Somme ou moyenne des paramètres retenus par jour (moyenne du vent somme des précipitations)

Un événement extrême, bien qu’il soit par définition bref (Jennings et al. 2012), ne suit pas l’intervalle de temps de mesure des stations (30 minutes à la station météo). Un travail à l’échelle journalière est donc plus approprié.

2 Découpe du jeu de données par mois

Un choix arbitraire qui permet toutefois de prendre en compte le fait que des précipitations par exemple à l’automne sont en règle générale plus fortes, et la démarche de travail ici retenue ne permettrait pas de détecter les événements rares estivaux, bien que tout aussi susceptibles d’avoir un impact sur le lac. Le travail est donc effectué sur 12 populations (12 mois) avec comme échantillons les différents jours des années de suivi.

3 Identification des évènements rares

En utilisant la formule de calcul de l’intervalle de confiance (ci-dessus), j’ai cherché par mois les événements les plus rares par leur intensité. Je choisis de détecter 7 évènements exceptionnels par mois, ce qui correspond aux 5 étés de données complètes entre 2009 et 2013 plus une marge d’erreur. Le coefficient multiplicateur dans l’équation ci-dessus est de 32 pour les précipitations et de 27 pour le vent.

4 Caractérisation des réponses écosystémiques

Pour la période choisie (été), les réponses du bassin versant et du lac aux évènements extrêmes identifiés sont observées.

P a g e | 11

Figure 8. Boxplots de la distribution des données de précipitation et de vitesse du vent enregistrés à la station météo. Les précipitations ne dépassent pas 4 mm 95 % du temps, et la vitesse du vent moyenne par jour est 95 % du temps inférieure à 5,7 m/s. Identification du multiplicateur adéquat pour identifier les évènements rares sur les deux signaux climatiques. Arbitrairement, je choisis de rechercher 7 évènements extrêmes pour les mois de juillet et août : coefficient multiplicateur de 32 pour les précipitations et de 27 pour le vent.

3. Résultats

3.1. Mise en forme des données Le jeu de données suite à la compilation des relevés lors de la mission du 15 juillet 2014 comporte 345 400

lignes (enregistrements) et 42 colonnes (variables). Il n’est donc pas possible de présenter ce jeu de

données brut ; le tableau en Annexe 5 reprend chaque paramètre mesuré et y associe des statistiques

descriptives ainsi que l’intérêt de la mesure. La disponibilité des données se trouve également en Annexe

5. Les dates sont exprimées selon le format standard ISO 860 (aaaa-mm-jj hh :mm), également utilisé par

Data Standardizer et B3. Les heures sont au format UTC.

3.2. Analyses

3.2.1. Dynamiques saisonnières Mis à part les paramètres dérivés (e.g. direction du vent), tous les paramètres répondent à une

saisonnalité marquée (visualisation de paramètres choisis7 Figure 9). La température moyenne journalière

de l’air varie entre -15 et 15°C environ et en représente une parfaite illustration. Il en va de même pour les

radiations solaires, qui atteignent des valeurs moyennes journalières autour de 350 W/m² en été et

chutent autour de 52 W/m² en hiver. Le régime de précipitation et la vitesse du vent observent une

saisonnalité moins marquée.

Plusieurs périodes sont identifiées pour les paramètres concernant la réponse du bassin versant et du lac.

D'une part, en hiver et la moitié du printemps, les paramètres relatifs au bassin versant et au lac stagnent

(stratification hivernale). Puis, au printemps, ils commencent à varier de nouveau (reprise hydrologique),

pour atteindre des valeurs maximales en été (notamment les paramètres liés à la température)

(stratification estivale).

- Les sondes de température et d’humidité installées sur le versant nord mettent en évidence une période figée du point de vue de ces paramètres en hiver, puis une forte augmentation et des

rythmes journaliers en été.

- La reprise hydrologique du bassin versant correspond au moment où l’eau recommence à couler sur celui-ci pour rejoindre le lac. Les différences de densité des couches d’eau lors des phases de dé-

7 Une sélection la plus représentative possible des processus généraux a été effectuée afin de ne pas altérer

excessivement la lisibilité pour le lecteur. Par ailleurs, il a fallu composer avec l'absence de données éventuel (données invalides, casse du capteur, etc.).

0

20

40

60

80

Som

me/

jrs P

reci

pita

tions

(m

m)

Profil de la série de donnéesPrecipitations enregistrees à la stationmétéo d'Anterne depuis le 08/09/2007

0

2

4

6

8

Moy

enne

/jrs

Vite

sse

du v

ent (

m/S

)

Profil de la série de donnéesVitesse du vent - station météod'Anterne depuis le 27/05/2008

0 20 40 60 80 100

5

10

15

20

Precipitations - Station Meteo

Nom

bre

d'ev

enem

ents

det

ecte

s

Multiplicateur dans l'équation IC = moyenne + x * erreur-type

0 10 20 30 40 50

0

20

40

60

80

Vent - Station Meteo

Nom

bre

d'ev

enem

ents

det

ecte

s

Evènements rares

Evènements rares

Pour un multiplicateur

autour de 40 : 5 évènements

seront identifiés en moyenne par

mois

Pour un multiplicateur

autour de 30 : 4 évènements

seront identifiés en moyenne par

mois

P a g e | 12

stratification permettent d’identifier ce moment. En effet, l’eau froide issue de la fonte des neiges

rejoint le lac et ne se mélange qu’à la couche de densité la plus similaire, c'est-à-dire celle de surface.

La température de celle-ci qui est restée stable tout l’hiver chute alors. La reprise hydrologique a lieu

entre la première dizaine d’avril (date la plus précoce en 2011 : 7avril) et mi-mai (date la plus tardive

en 2014 : 11 mai), et correspond à des températures moyennes journalières positives. Le niveau

d’eau mesuré à la station sur l’affluent principal enregistre un niveau d’eau croissant à partir de

cette période (première fenêtre Figure 9).

- Une chute soudaine de la température à 5 mètres est également observée certaines années, avant le brassage (très marquée en 2008). L’épaisseur de l’épilimnion augmente tout au long de l’hiver, et il

atteint 5 mètres les années où le capteur enregistre cette baisse de la température. Selon le

phénomène expliqué ci-dessus, l’eau qui arrive du bassin versant se mélange alors avec la couche

jusqu’à 5 mètres.

- L’évolution de la température dans la colonne d’eau permet de mettre en évidence le régime de stratification du lac d’Anterne ainsi que les périodes de brassage, par le biais de la lecture graphique

ou de l’utilisation d’indices simples (TSURFACE – TFOND par exemple)

o Le brassage printanier est un processus très court. Alors que les couches de surface (arbitrairement ici jusqu’à 5 mètres faute d’une plus grande résolution) voient des épisodes

de brassages entre mi-mai et mi-juin, le retournement total de la colonne d’eau (TSURFACE =

TFOND) est bref (1 à 5 jours). Il peut arriver très tôt (dernière dizaine de mai : 20 mai en 2011)

ou bien plus tard (première dizaine de juillet : 11 juillet en 2013). La stratification estivale se

met alors en place (maximum 5 jours après).

o La stratification estivale est stable pendant une période allant de 2 à 3 mois. Seules les couches de surface (5 mètres) sont éventuellement mélangées suite à des précipitations ou

des événements venteux (voir 3.2.2). En 2007, de très forts orages ont entrainé le brassage

du lac à deux reprises pendant l’été (24 juillet et 10 août) (Annexe 3). Les précipitations

n’étaient pas encore mesurées et ce sont les dégâts causés en vallée qui ont permis de

retracer l’origine des évènements8.

o A l’automne, la température de l’air diminue. Le brassage de la colonne d’eau intervient entre septembre et novembre. Le fond du lac est alors ré-oxygéné (mesures disponibles à

partir de 2009). La période de brassage est plus ou moins longue (de une à quelques

semaines), et des périodes intermédiaires de courte stratification peuvent être observées.

De manière générale la température descend en paliers. Par exemple, à l’automne 2011, un

premier brassage très bref de la colonne d’eau est observé autour du 20 septembre et une

légère stratification se remet en place jusqu’au 6 octobre ; la température est alors autour

de 10°C. Puis en l’espace de 5 jours la température chute à 8°C. Entre le 22 et le 26 octobre,

une nouvelle chute de la température est observée ; elle atteint alors 5,5 °C. Du 3 au 15

novembre, la température diminue encore et atteint 4°C. La stratification inverse s’installe à

partir du 6 décembre 2011. Le brassage automnal est le processus principal permettant la

ré-oxygénation du fond du lac. La ré-oxygénation est plus ou moins efficace : en 2013, la

saturation a atteint 90 % contre 60 % en 2009, 2010 et 2011. C’est pourtant en 2013 que la

période de brassage a été la plus courte (un mois).

o Lorsque la stratification hivernale se met en place, l’oxygène diminue progressivement jusqu’à disparaître : le fond du lac est alors anoxique. Aucune variation des paramètres n’est

observée pendant 5 à 6 mois en hiver.

Le cycle annuel de production primaire dépend fortement des paramètres précédemment cités. La

production primaire (approchée par la mesure de chlorophylle) débute lorsque le lac est complétement

dégelé et s’arrête avant que le lac ne regèle. En 2010 et 2013, elle augmente progressivement et atteint sa

8 http://tempsreel.nouvelobs.com/societe/20050823.OBS7115/inondations-en-haute-savoie-et-en-isere.html

http://tempsreel.nouvelobs.com/societe/20050823.OBS7115/inondations-en-haute-savoie-et-en-isere.html

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Figure 9. Evolution des paramètres météorologiques (température de l’air, précipitations, vitesse du vent, radiations solaires), des paramètres permettant la caractérisation de la réponse du bassin versant (niveau d’eau de l’affluent principal, température et humidité du sol versant nord), et de la température du lac aux différentes profondeurs de capteur (le plus clair est le capteur le plus à la surface, le plus foncé est celui situé à 12 mètres au fond du lac). Confrontation avec l’évolution des conditions physico-chimiques (chlorophylle, oxygène et turbidité). Une moyenne journalière a été effectuée pour tous les paramètres sauf pour les précipitations qui ont été sommées. Identification des évènements extrêmes qui sont étudiés par la suite. Données du monitoring du bassin versant d’Anterne entre le 1

er janvier 2008 et le 15 juillet 2014.

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valeur maximale au début du brassage de la colonne d’eau. En 2011, la quantité est élevée en juin et

juillet, diminue légèrement, et ré-augmente avant la période de brassage automnal.

La Figure 10 reprend les différentes étapes des processus saisonniers par année. La durée du brassage

printanier est très courte et précède à quelques jours près la mise en place de la stratification estivale.

Celle-ci est stable pour une période allant d’un peu moins de 3 mois (84 jours en 2010) à près de 4 mois

(122 jours en 2009).

Figure 10. Confrontation des dates des processus saisonniers par années entre avril et décembre ; le lac est gelé entre janvier et mars.

3.2.2. Evènements rares Les dates des évènements rares pour les trois mois choisis (juillet à août) obtenues grâce à la méthode

statistique décrite précédemment sont présentées dans le Tableau 4 et plus en détails en Annexe 6.

Tableau 4. Dates des évènements détectés pour les mois où la stratification estivale est en place. (P) indique que la quantité de pluie a été exceptionnelle, (V) indique que la vitesse moyenne du vent a été supérieure ce jour. En gras les évènements décris par la suite.

Années Juillet Août Septembre Total d’évènements

2007 18 et 25 (P) 2

2008 06 et 12 (P), 19-20 (V) 04 (V), 12 et 19 (P) 7

2009 17 (P), 20 (V) 03-04 (V) 4

2010 23 (P) 05 (P), 16 (P+V), 18 et 24 (V), 27 (P) 16 (V) 7

2011 13 (V) 07 (P+V), 08 (V) 3

2012 03 (P+V), 09 (V), 17 (P) 3

2013 03 (V), 29 (P) 19 (V) 08, 16, 18 (P) 6

Un à trois évènements (vent et précipitations confondus) sont détectés par an en juillet selon la méthode.

En août, la variabilité est plus élevée : aucun évènement n’a été identifié en 2009 et 2012 contre 5 jours

de météo extrêmes en 2010. En septembre, moins d’évènements ont été détectés à partir des seuils fixés.

C’est en 2013 que les pluies ont été les plus intenses pour ce mois. Le nombre total d’évènements

détectés par an sur les trois mois étudiés varie également : il a été au maximum de 7 en 2008 et 2009.

Deux périodes sont ici détaillées : le mois de juillet 2009 et les mois d’août et septembre 2013. L’été 2007

la station météo n’était pas encore en place et n’a pas pu enregistrer les précipitations exceptionnelles qui

ont frappé tout le département.

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En juillet 2009, deux évènements inhabituels sont identifiés (Figure 11). Le premier est le 17 juillet, avec

un total de précipitations de 79,8 mm en 24h. La station hydro enregistre alors un pic de turbidité à 424

NTU à 3h du matin, puis la sonde RBR enregistre à son tour un pic à 74 NTU à 5h15. La turbidité se rétablie

dans l’heure dans le torrent, mais dans le lac le niveau varie toute la journée, et reste relativement élevé

les jours qui suivent. Les fortes précipitations ont un impact sur la stratification thermique : la couche

d’eau de surface se refroidit jusqu’au matin du 18 juillet, perdant 4 °C en un peu plus de 24h. Cela conduit

à une homothermie jusqu’à 5 mètres. L’épisode de vent enregistré coïncide avec une légère augmentation

de la turbidité qui stagnait. Les photos qui correspondent à la période de la perturbation du 17 sont

présentées. Le 16, la météo est bonne, et les versants sont déneigés. Le 17, le ciel apparaît plus couvert.

Le 18, la visibilité est très mauvaise, mais on distingue toutefois le bassin versant couvert de neige. Le 19,

le temps s’éclaircit, et la neige a déjà un peu fondu. Le 20, la neige a presque totalement fondu sur le

bassin versant.

Figure 11. Evolution des températures de la colonne d’eau et de la turbidité entre le 14 et le 21 juillet 2009. Un évènement extrême de précipitations a été détecté le 17 et une journée très venteuse a été identifiée le 20 juillet. Photos prisent par le dispositif appareil photo sud du 16 au 20 juillet 2009 (de haut en bas).

La Figure 12 présente l’évolution de certains paramètres lors des évènements détectés entre fin août et

septembre 2013. On observe une baisse de la turbidité suite à l’épisode venteux du 19 août. Les

précipitations du 24 août entraînent une légère baisse de la température de surface. Les fortes

précipitations du 8 septembre 2013 génèrent une légère augmentation de la turbidité. Celle-ci est plus

prononcée après les précipitations du 16 septembre. De très fortes pluies sont observées le 18 septembre

2013 (quantités plus de deux fois supérieures au dernier évènement détecté le 16 septembre. Cela

entraîne une homogénéisation de la température dans la colonne d’eau et une très forte augmentation de

la saturation en oxygène, de 5 à 40 %. Les trois premiers épisodes pluvieux du 24 août et des 8 et 16

septembre entrainent une baisse de la température de surface. Les couches à 2 et à 5 mètres sont

relativement homogènes d’un point de vue température à partir de ces premières précipitations de fin

août. Les très fortes pluies du 18 septembre (88 mm) entraînent une très légère augmentation de la

température de fond : la colonne d’eau est presque en homothermie. Les deux premiers évènements de

précipitations entraînent des pics de turbidité à la station hydro : 160 et 660 NTU respectivement. Les

fortes pluies du 16 et du 18 septembre entraînent une réponse beaucoup plus faible, et la quantité d’eau

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tombée du 18 septembre 2 fois supérieure à celle du 16 entraîne une réponse moins marquée (90 NTU).

La turbidité au fond du lac est relativement stable entre le 19 août et le 08 septembre (5 NTU). Elle

augmente un peu ce jour jusqu’à 9 NTU puis augmente réellement à partir du 15 septembre pour

atteindre un pic à 20 NTU le 17 au soir. Elle diminue à nouveau progressivement les jours suivant pour

atteindre environ 7 NTU le 23 septembre.

Figure 12. Evolution de différents paramètres permettant de caractériser la réponse du lac aux évènements extrêmes détectés entre le 13 août et le 1

er octobre 2013. Quatre évènements de précipitations (lignes bleues) et un évènement venteux (ligne grise)

ont été identifiés comme étant inhabituels.

4. Discussion

4.1. Dynamiques saisonnières lacustres Les premières informations fournies par le programme de monitoring concernent les dynamiques

saisonnières du lac d’Anterne. Les dispositifs permettent de mettre en évidence plusieurs aspects clés du

cycle annuel, qui sont très brefs et donc impossibles à détecter par tout autre programme de suivi sur un

lac aussi isolé. Les processus de reprise hydrologique et de brassage printanier, qui ont lieu à un intervalle

de un à deux mois, sont particulièrement courts (quelques jours). La Figure 13 retrace le cycle moyen pour

certains paramètres clés. Bien que cette tendance moyenne puisse être affinée avec plus d’années de suivi

disponibles, cela permet de mettre en évidence la réponse annuelle du bassin versant en fonction de la

charge hydrique et de la température extérieure. L’humidité maximale est observée à la fonte des neiges,

et la température du sol à cette profondeur (5 cm) est directement reliée à la température de l’air. Les

quatre phases décrivant habituellement les lacs dimictiques sont également observées. La stratification

hivernale se met en place en moyenne fin novembre, le brassage printanier a lieu la deuxième quinzaine

de juin, la stratification estivale s’installe en suivant, et le brassage automnal est particulièrement marqué

entre la deuxième quinzaine d’octobre et début novembre.

L’oxygène dissous, facteur essentiel pour la vie aquatique, est directement lié à ces processus de brassage.

Seulement deux années complètes de mesure sont disponibles et leur moyenne est présentée à titre

d’illustration (Figure 14) – une moyenne sur deux années ne permettant pas d’identifier les périodes

exactes d’oxygénation mais plutôt les processus responsables. Le fond du lac est anoxique durant

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Figure 13. Cycles moyens annuels obtenus à partir des données enregistrées entre le 01/01/2008 et le 15/07/2014, monitoring d’Anterne. (1) Paramètres météos : température de l’air, radiations solaires et vitesse du vent. (2) Photos du bassin versant d’Anterne à différentes saisons. Toutes ont été prises par l’appareil photo Sud sauf la première (dispositif Nord) : le dispositif Sud est régulièrement recouvert par la neige ou entraîné par des avalanches l’hiver. (3) Evolution de la température et de l’humidité du sol sur le versant nord, sur deux surfaces : minérale et végétale. (4) Schéma résumant les processus de brassages d’un lac dimictique tel que le lac d’Anterne. (5) Evolution moyenne des températures de la colonne d’eau. Les périodes de reprise hydrologique et de brassages sont identifiés. Le brassage printanier dure au maximum quelques jours tandis que le brassage automnal prend plusieurs semaines.

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plusieurs mois de la période de gel. Cette phase anoxique caractérise les lacs au régime dimictique

(Wetzel 2001). Suite à cette phase hivernale, l’oxygénation est amorcée peu après la reprise hydrologique

sur le bassin versant, les premières crues de l’année accélérant le processus. C’est le brassage de la

colonne d’eau qui permet une réelle ré-oxygénation du fond du lac, plus ou moins efficacement : par

exemple, la saturation en oxygène dissous est plus élevée en 2010 qu’en 2011. La durée de brassage est

bien sûr à mettre en cause puisque le processus a été initié plus tôt de manière relative en 2010 par

rapport en 2011 : le retournement total est un processus court (1 à 5 jours), mais de brefs brassages

jusqu’à 8 mètres sont généralement observés les jours précédents (Figure 10). Au cours de l’été, les

phases de ré-oxygénation sont provoquées par des crues ; l’impact des événements extrêmes est discuté

dans la partie suivante. Le brassage automnal permet la ré-oxygénation du fond du lac qui sera ensuite

privé d’arrivée d’oxygène tout l’hiver. Le processus est beaucoup plus long que le brassage printanier. La

différence peut venir du fait que l’eau atteint sa densité maximale à 4°C : pour que la stratification inverse

se mette en place il faut que la température moyenne de la colonne d’eau descende en dessous de 4°C.

Les capacités calorifiques des corps en contact (fond rocheux du lac/eau du fond/eau de surf